計算輔助高性能增材制造鋁合金開發的研究現狀與展望
以下文章來源于金屬圈 ，作者金屬學報
增材制造技術為高強鋁合金復雜零部件的制造帶來了前所未有的機遇，但目前增材制造鋁合金體系仍局限于可鑄造和可焊接的Al-Si系合金，制約了高性能增材制造鋁合金的快速發展。近年來，不同尺度的計算方法逐步用于輔助高性能增材制造鋁合金的開發。
《金屬學報》期刊發表的《計算輔助高性能增材制造鋁合金開發的研究現狀與展望》一文詳細綜述了國內外學者在計算輔助增材制造鋁合金設計與制備領域的研究成果，列舉了原子、介觀和宏觀尺度計算模擬及機器學習等計算方法輔助增材制造鋁合金設計的代表性案例，分析了不同計算方法輔助合金設計的策略，并指出其不足。最后，針對如何推動多尺度計算在高性能增材制造鋁合金開發中的應用進行了展望，并指出其發展方向。
本文綜述了目前國內外不同尺度計算方法(原子尺度、介觀尺度和宏觀尺度模擬及機器學習)輔助增材制造鋁合金開發的研究思路與現狀。不同尺度計算方法已成功用于增材制造鋁合金的設計與開發中，有效減少材料設計與開發的時間和成本，實現了高性能增材制造鋁合金的高效設計：原子尺度的第一性原理計算可為增材制造鋁合金中固溶強化的元素選擇和添加量提供指導；原子尺度的分子動力學模擬對增材制造鋁合金的局部熔化、快速凝固過程以及組織的力學響應等進行預測，為合金制備過程的工藝選擇和組織優化提供指導；介觀尺度的計算熱力學，從合金打印性、晶粒細化、固溶強化、析出強化和熱處理等方面實現無裂紋增材制造鋁合金的成分設計和工藝優化；介觀尺度的相場模擬，能對增材鋁合金制備過程中微觀組織演化進行研究，探討工藝參數對微觀組織的影響，為合金制備過程的工藝優化和組織優化提供指導；宏觀尺度的有限元模擬，對增材制造鋁合金制備過程中熱作用、成形控制、缺陷形成等進行預測和研究，易于指導工藝優化。基于大量實驗數據驅動的機器學習方法，可對影響成形質量和性能的工藝參數和過程參數進行識別、分類，建立不同合金體系由工藝到性能的定量關系，實現金屬增材制造合金的質量監控、工藝優化，提升產品綜合性能。然而，當前不同尺度計算方法往往僅針對增材制造鋁合金“成分-工藝-組織-性能”的部分環節，嚴重制約了多尺度計算在增材制造領域的應用。為此，未來可從以下2個方面來實現高性能增材制造鋁合金的高效開發。
第一，建立增材制造鋁合金的集成計算材料工程框架。旨在集成不同尺度的計算方法為一個整體系統，建立增材制造鋁合金“成分-工藝-組織-性能”的定量關系。
Mishra和Thapliyal提出了適用于增材制造合金設計的集成計算材料工程框架及不同尺度計算在其中的應用。將計算熱力學和第一性原理計算結合，建立合金從“成分-工藝-微結構”的定量關系，有利于無裂紋的高性能增材制造鋁合金的成分設計。分子動力學、相場模擬和有限元模擬相結合，可對增材制造過程中的溫度場、應力場和微結構演變進行定量模擬，建立合金“工藝-微結構”的定量關系，為合金制備工藝的優化提供準確高效的指導。機器學習和實驗相結合，建立合金“工藝-微結構-性能”間的定量關系，為金屬增材制造的質量監控、工藝優化、產品性能提升提供指導。最終，不同尺度計算相結合，實現增材制造鋁合金從“成分-工藝-組織-性能”的整體設計。
需指出的是，高效可靠的集成計算材料工程框架強烈依賴于更加合理的計算方法以及高通量計算的支持。一方面，不同尺度計算方法還有待發展，比如：上文提到的改進Scheil-Gulliver模型中，已考慮了快速凝固對溶質偏析的影響，但對實際多元多相體系在快速凝固條件下部分穩定相被抑制的預測仍存在偏差，因此有必要進一步改進該模型；在相場模型方面，有限界面耗散的多相場模型能夠定量描述極端非平衡條件下(快速凝固過程)的溶質截留效應，但要實現增材制造過程微結構演變的定量模擬，還需耦合可靠的溫度場和流場方程。另一方面，高通量計算將進一步提升合金設計的效率。高通量計算是實現“材料按需設計”的基礎，可以有效縮小實驗的范圍，為實驗提供科學依據。目前，高通量計算較為耗時，計算任務的高效管理和計算結果的后處理仍然具有挑戰性。實現高通量計算的方法主要包括并行計算和分布式計算，本文作者等前期開發了一種機器學習加速的分布式任務管理系統(Malac-Distmas)，實現了高通量計算和各種數據的存儲。該系統嵌入機器學習技術，可對輸出數據進行增密，減少計算量，實現高通量計算的加速。通過將Malac-Distmas與不同的熱力學計算軟件耦合，實現了Gibbs自由能、相圖、Scheil-Gulliver模擬、擴散模擬、析出模擬以及熱物性參數等的高通量計算。此外，Malac-Distmas不限于實現熱力學、動力學和熱物理性質的高通量計算，還可與其他計算/模擬軟件/代碼進行耦合，實現高通量計算/模擬。
第二，發展高性能增材制造鋁合金的多目標設計方法與優化策略/技術。基于集成材料工程建立增材制造鋁合金“成分-工藝-組織-性能”定量關系，針對不同應用背景與材料性能需求，開發對應的多目標(如：無裂紋高強高導電、無裂紋高強高韌等)設計方法，實現增材制造新型高性能鋁合金的高效設計與開發。
綜合性能是衡量材料能否滿足工程應用的前提。但由于材料性能影響因素眾多，性能間交互作用復雜，如材料的強度與塑性/韌性，強度與電導率等，往往相互沖突，呈此消彼長的矛盾關系。因此，設計研發平衡材料各類性能最優值、實現綜合性能最優的材料，一直是材料領域的難題。在多目標設計方法方面，Yi等前期通過結合計算熱力學、實驗和機器學習，建立稀土/堿土改性鑄造鋁合金“成分-工藝-組織-性能”定量關系，從鑄造性、晶粒細化、共晶改性、固溶強化、析出相特性和熱處理等多方面出發，對合金的強度和塑性進行多目標設計，成功開發出高強高韌的稀土/堿土改性鑄造鋁合金。在多目標優化策略方面，主要包括逐層篩選優化、多目標轉單目標優化、Pareto前沿協同優化等優化策略。最近，Dai等將三維定量相場模擬和分級多目標優化策略相結合，通過對物理氣相沉積(PVD)工藝中TiN涂層生長過程進行了大量的三維相場模擬，獲得了模型參數、微觀結構和各種涂層性能之間的參數關系。基于定量相場模擬和關鍵實驗數據，提出了一種分級多目標方法來設計多種涂層性能。隨后，根據對各種目標組合的Pareto前沿的識別，對邊際效用進行了研究。以分級的方式對模型/工藝參數進行過濾，最終找到與實驗結果一致的最佳TiN涂層性能窗口。針對不同應用背景與材料性能需求，將上述方法合理應用于增材制造新型鋁合金設計，有望實現綜合性能優異鋁合金的高效開發。
引用本文
高建寶, 李志誠, 劉佳, 張金良, 宋波, 張利軍. 計算輔助高性能增材制造鋁合金開發的研究現狀與展望[J]. 金屬學報, 2023, 59(1): 87-105
GAO Jianbao, LI Zhicheng, LIU Jia, ZHANG Jinliang, SONG Bo, ZHANG Lijun. Current Situation and Prospect of Computationally Assisted Design in High-Performance Additive Manufactured Aluminum Alloys: A Review[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2023, 59(1): 87-105
DOI:10.11900/0412.1961.2022.0043
(責任編輯：admin)
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